Расчет устойчивости природных склонов и откосов земляного полотна

Расчет устойчивости природных склонов и откосов  земляного полотна

51. Степень устойчивости  природных склонов (как с учетом  земляного полотна, так и без  него) должна оцениваться уже  на предпроектной стадии ТЭО при выборе наиболее экономически и технически оправданного варианта проложения трассы.

Наиболее подробный расчет устойчивости склонов производится на стадии разработки технического проекта  применительно к выбранному варианту расположения земляного полотна  после получения достаточно полных данных по инженерно-геологическому строению склонов и физико-механическим свойствам  грунтов.

52. Устойчивость природного  склона следует рассчитывать прежде всего исходя из наиболее вероятной формы нарушения его устойчивости (скол при просадке, срез с вращением, оползень-поток и т.п.) и обязательно применительно ко всему природному склону, а не к его локальной части, расположенной в зоне возведения земляного полотна.

Для природного оползневого  склона форма нарушения его устойчивости определяется наиболее просто по четким признакам, сопровождающим оползневую активность (стенки срыва, трещины растяжения, локальная заболоченность, валы выпирания  и т.п.) и отделяющим оползневое тело от здоровой части склона.

В случае, когда склон  устойчивый или условно-устойчивый и трудно заранее с достаточной  достоверностью определить наиболее вероятную  форму нарушения его устойчивости, следует исходить из предполагаемой в данном случае формы деформации, принимая во внимание особенности геологического строения толщи склона и факторы, связанные со строительством автомобильной  дороги (подсечка, перегрузка, разгрузка  и т.п.). При этом следует выполнять  проверочные расчеты для нескольких возможных схем. Наиболее вероятной  схемой будет та, которая дает минимальную  величину коэффициента запаса устойчивости.

53. Устойчивость склонов  следует рассчитывать по поперечнику,  в котором наиболее неблагоприятно  сочетаются такие факторы, как  крутизна склона, наличие ослабленных  зон, мощность смещающихся грунтов  и т.п.

54. Устойчивость склонов  и откосов рассчитывают по  двум предельным состояниям (плоская  задача):

а) по прочности (1-е предельное состояние);

б) по деформируемости (2-е предельное состояние).

55. Расчет устойчивости  откосов и склонов по прочности  сводится к определению коэффициента  запаса устойчивости К_зап и сравнению его с требуемой величиной.

При этом коэффициент запаса устойчивости определяется как отношение  суммы сил, удерживающих откос или  склон в устойчивом состоянии, к  сумме сил, нарушающих это состояние.

Для расчета суммарного воздействия  удерживающих сил при оценке величины К_зап используются прочностные характеристики грунта, а именно: его сопротивляемость сдвигу, определяемая силами внутреннего трения грунта j_w и общего структурного сцепления C_w .

56. Устойчивость откосов  и склонов по деформируемости следует рассчитывать, если обеспечена их устойчивость по прочности (К_зап > 1), но есть опасность развития длительных деформаций ползучести во времени.

В этом случае дополнительно  в качестве исходных характеристик  грунта следует оценивать коэффициент  динамической вязкости h.

57. Проверку устойчивости  оползневых склонов по критериям  деформируемости необходимо осуществлять особенно в тех случаях, когда угол внутреннего трения грунтов, слагающих склон, близок к нулю, а общее структурное сцепление обусловлено главным образом силами связности.

Расчет устойчивости оползневых склонов с фиксированной  поверхностью скольжения

Расчет по прочности (1-е  предельное состояние )

58. Для опенки устойчивости природных оползневых склонов с фиксированной поверхностью скольжения следует использовать метод горизонтальных сил (метод Маслова-Берера).

59. Степень устойчивости  склона в этом случае оцениваемся коэффициентом запаса устойчивости, определяемым по формуле

                                                                                                  (9)

где

T = H – R = Q[tga - tg(a - y_p)]                                                                        (10)

T - часть распора, воспринимаемая трением и сцеплением грунта по поверхности скольжения;

H - распор (давление на стенку блока) при отсутствии в грунте между блоками сил трения и сцепления;

R - непогашенная (активная) часть распора;

Q - вес блока;

y_p - угол сопротивления сдвигу на поверхности скольжения при нормальном напряжении p от веса блока;

a - угол наклона поверхности скольжения расчетного блока к горизонту.

60. Расчет по методу  горизонтальных сил выполняется  в такой последовательности:

на основе анализа инженерно-геологических  условий намечают наиболее вероятные  поверхности скольжения (рис.1);

каждый из предполагаемых отсеков обрушения разбивается  на отдельные блоки с таким  расчетом, чтобы границы блоков соответствовали  местам перелома поверхности скольжения и в пределах каждого блока  на поверхности скольжения сохранялись  постоянными значения сдвиговых  характеристик грунта;

в пределах каждого расчетного блока графически или аналитически определяют силы активного давления, направление которых принимается  горизонтальным. При графическом решении откладывают в масштабе вес блока Q, от середины поверхности скольжения в пределах рассматриваемого блока проводят нормаль к этой поверхности и графически определяют величину распора Н, который действует на стенку блока, при допущении, что трение между блоками отсутствует.

Аналитически величина Н выражается формулой

Н = Q · tga                                                                                                         (11)

Рис.1. Схема к оценке устойчивости склона по методу горизонтальных сил (метод  Маслова-Берера)

Далее в сторону скольжения отсека откладывают угол сопротивления  сдвигу:

                                                                     (12)

где F_р - коэффициент сопротивления сдвигу.

Под этим углом проводят линию до пересечения с направлением силы Н, получают силу Е и силу Т.

При практическом использовании  метода горизонтальных сил напряжение р определяют по "гидростатическому принципу":

р = g_w·h,                                                                                                             (13)

где g_w - объемный вес грунта;

h - средняя высота расчетного блока.

Фильтрационное давление грунтовых вод W_фi учитывают в условиях плоской задачи по выражению

W_фi = Dв · J_i · w_i                                                                                                (14)

где Dв - объемный вес воды;

J_i - гидравлический градиент, действующий в пределах расчетного блока;

w_i - площадь сечения выделенного расчетного блока.

Расчет по деформируемости (2-е предельное состояние)

61. Для оценки скорости  смешения поверхности оползневого  (рис.2) склона v_o может быть использована формула

                      (15)

где h - мощность слоя смешения;

G - "мертвая" зона, характеризуемая постоянством скорости ползучести и представляющая собой блок породы, смещающийся на слое грунта мощностью (h - G);

g_w - объемный вес грунта;

j_w, C_c - угол внутреннего трения и структурное сцепление соответственно;

h - коэффициент динамической вязкости грунта.

Рис.2. Схема к оценке скорости смещения поверхности оползневого  массива

62. Мощность "мертвой"  зоны зависит главным образом  от величины структурного сцепления С_с и определяется по выражению

                                                                              (16)

63. В случае, если оползневый  склон в зоне активных подвижек  сложен пластичными глинистыми  грунтами, для которых j_w = 0 и С_с = 0, то формула (15) упрощается и принимает следующий вид:

                                                                                              (17)

Оценка устойчивости насыпей на оползневых склонах

Расчет по прочности (1-е  предельное состояние)

64. Для оценки устойчивости  насыпей на оползневых склонах,  имеющих фиксированную поверхность  смещения, следует применять метод  горизонтальных сил (метод Маслова-Берера), позволяющий определить величину К_зап.

65. Наличие насыпи на  склоне не вносит принципиальных  изменений в методику использования  метода горизонтальных сил, поэтому  все положения остаются в силе  и могут быть применены и  в этом случае.

Расчет по деформируемости (2-е предельное состояние )

66. Скорость деформирования  контура насыпи на оползневом  склоне (рис.3) следует рассчитывать по следующей зависимости:

(18)

где z, х - координаты точек контура насыпи;

v - скорость смещения грунтов оползневого склона;

в, с, h₁, h₂, k - геометрические характеристики насыпи;

                                                                                                           (19)

f_g - вес единицы объема грунта, дин, f_g = q·g_w ;

h - коэффициент динамической вязкости, пуаз.;

ф_(τ) - интеграл вероятности, определяемый в соответствии с табл.1 приложения 2

Рис.3. Схема к расчету  скорости деформирования контура насыпи на оползневом склоне

67. Скорость смещения оползневого  склона v может быть оценена по формуле

    (20)

где G - мощность (рис.4) "мертвой" зоны;

Q - нагрузка от веса насыпи;

a - угол наклона склона к горизонту;

h - мощность оползневого слоя грунта.

Мощность "мертвой" зоны определяется по формуле

                                                                       (17)

Рис.4. Схема к оценке скорости смещения оползневого склона

Оценка общей  устойчивости откосов насыпей автомобильных  дорог

68. По известным значениям  прочностных характеристик глинистых  грунтов j_w, С_w определяется мощность критического слоя грунта Н_кр, эквивалентного величине раздавливающей нагрузки при одноосном сжатии

                                                                                           (22)

69. Далее определяется  величина безразмерного параметра  по формуле,

                                                                                                             (23)

где h - высота откоса.

Очертание откоса земляного  полотна строится в системе координат Z0Х (рис.5) по формуле

                                                                                      (24)

где l - параметр, зависящий от упруго-вязких свойств глинистого грунта;

ф_(τ) - интеграл вероятности, определяемый по табл.1 приложения 2.

70. В зависимости от  величины параметров n и l возможны три основных случая состояния откоса земляного полотна:

а) нарушение общей устойчивости откоса в результате потери прочности  грунта (К_зап < 1);

б) общая устойчивость откоса по прочности обеспечена (К_зап = K_треб), однако не исключены деформации его ползучести;

в) обеспечена общая устойчивость откоса по прочности, и отсутствуют  деформации ползучести.

Предварительно состояние  откоса по степени его устойчивости оценивают по графику n = f(l) (рис.6).

Кривая (1) соответствует  коэффициенту общей устойчивости, равной единице (К_зап = 1), а кривая (2) отвечает случаю, когда практически отсутствуют деформации ползучести.